大功率LED散熱機理及產品仿真

馬成虎 賈雪

安徽省阜陽市阜陽職業技術學院

大功率LED散熱機理及產品仿真

馬成虎 賈雪

安徽省阜陽市阜陽職業技術學院

大功率LED;散熱機理;仿真

1.引言

在節能減碳與綠能環保發展的驅使，LED（Light Emitting Diode）作為一種固態照明光源，LED照明具有種種優勢：發光效率不斷的持續提升、成本降低、體積小、容易與系統設計進行整合、色彩飽和度高、演色性佳、顏色逼真等。

LED是個光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，美國CREE公司的10W級別的XML2白光LED現在在358K情況下達到150.38 lm/W，其光電轉換效率約為30%，則有7W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是150℃），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。

2.LED的特性

2.1 LED的結溫

LED的基本結構是一個半導體的P-N結。實驗指出，當電流流過LED元件時，P-N結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P-N結區的溫度定義為LED的結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。結溫（Tj）影響LED壽命和長期流明維持一般來說，大部份LED僅僅能承受到110～125℃，假如封裝的熱阻過大，則結面溫度將升高，這對組件的性能是不好的。

2.2 測試材料熱傳導率，為了盡快將熱量傳導出去，選用導熱系數高的材質

表格1提供幾種常用機械材料的導熱系數，純銅最佳，但成本過高，不銹鋼耐腐蝕性好，但導熱系數和成本并不理想。鋁合金綜合成本與性能最佳。

表1：幾種常用的燈具材料的導熱系數

3.分析模型及仿真軟件

圖5三維模型為照明燈具配置三顆Cree公司的XPE Q5，，恒流電流1000mA，熱阻低：只有9℃/W，最高結溫：150℃，額定電壓9.6V，此模擬實驗額定電流350mA。燈體選用6063T5材料，散熱方式為自然對流，燈座內安裝恒流電路，為了自然模擬燈具外殼實際溫度，參考點取燈口上邊緣。樣品的鋁基板熱阻約1℃/W，在室溫26℃時的自然對流環境下，燈具溫度測試結果如表2所示。FloEFD 2.1中文版軟件模擬，燈具外殼材質6061鋁合金，鋁材用模具擠壓成型，經普通陽極氧化來提高表面硬度及輻射率，兩種材料對應的熱分布結果如圖：

表2 LED杯燈外殼溫度測試

從圖4來看，散熱器的仿真溫度與實驗測試溫度最大誤差約1℃，符合實際需求。

4.LED基板和散熱座的有效散熱面積

為了研究散熱面積的影響，利用LED球泡散熱器，僅配置1顆LED光源(鋁基板中心)進行分析，其余條件不變，這就相當于將散熱面積增加到原來的三倍。溫度分布如圖5所示。

從溫度分布圖可以看出，散熱面積增大到三倍，參考點溫度從58.13℃驟降到39.09℃，增加散熱面積可以有效的降低系統溫度。

結論

1：LED元件的熱散失能力是決定結溫高低的又一個關鍵條件。散熱能力強時，結溫下降，反之，散熱能力差時結溫將上升。

2：散熱器設計時，考慮成本及工藝美觀性，散熱面積不可能做得很大，但可以通過適當增加散熱面積來降低系統溫度

3：LED在燈具內布置，相同功率下，LED數量越多布置平均分散，散熱面積越大，結溫低，多顆布置時亮度相對單顆同功率的LED亮度會增加。

4.盡量減少P-N結區到環境溫度的熱量流通環節，LED可以直接固定在燈座上，減少一個環節的熱阻。

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[2]立彬,陳宇,劉志強等.大功率倒裝結構LED芯片熱模擬及熱分析[J].半導體光電,2007,28(6):769—773.

[3]樓英,周麗,張家雨等.大功率LED的光衰機制研究[J].半導體技術,2009,34(5):474—477.

賈雪：女，1986-11 安徽阜陽，阜陽職業技術學院助教，研究領域：機械設計，電子專業。

課題項目

本文系阜陽職業技術學院2012年自然科學校級項目 編號：2012JKYXM04的研究成果之一

馬成虎:男,1981-06,助教,研究方向三維建模，傳熱學,碩士,阜陽職業技術學院。